A solu¸c˜ao est´a centrada nas seguintes premissas: uso de m´ultiplas unidades gerado- ras distribu´ıdas, microfontes renov´aveis de energia: biomassa, e´olica, fotovoltaica, dentre outras, e uso de uma estrutura que permita a integra¸c˜ao dessas unidades com a rede do SEP.
2.2
Os elementos de uma microgrid
Uma MG pode ser composta pelos seguintes elementos: • Fontes renov´aveis de energia;
• Dispositivos de convers˜ao; • Conversores de potˆencia;
• Unidade de armazenamento de energia; • Carga.
2.2.1
Fontes renov´aveis de energia
O primeiro elemento das Microgrids e talvez o seu principal motivador s˜ao as fontes renov´aveis de energia. V´arias s˜ao as fontes prim´arias, por´em neste trabalho a aten¸c˜ao ´e destinada `as que s˜ao objeto de estudos mais recentes e as que tˆem sido mais comumente empregadas na gera¸c˜ao distribu´ıda de energia el´etrica. Desta forma, ser´a deixada de fora a energia potencial hidr´aulica, fontes das hidroel´etricas, muito presentes na matriz energ´etica do Brasil.
Recursos de fonte renov´avel distribu´ıda de energia envolvem uma grande variedade de tecnologias, como, por exemplo, turbinas a g´as e e´olica, matriz fotovoltaica, biodigestor, c´elula combust´ıvel e outras [8, 10].
A planta do SEP com fontes renov´aveis de energia vem se desenvolvendo nas ´ultimas d´ecadas. V´arias tecnologias promissoras de unidades de gera¸c˜ao distribu´ıdas, chaveamen- tos, gerenciamento de carga est˜ao em desenvolvimento ou em est´agios de comercializa¸c˜ao [5]. As principais fontes de energia empregadas nas MGs s˜ao:
Biomassa: o uso da biomassa pode ser atrav´es do processo de queima ou digest˜ao. Para gera¸c˜ao de energia el´etrica as duas fontes principais s˜ao a cana-de-a¸c´ucar (vegetal)
14 Cap´ıtulo 2. Defini¸c˜ao e caracteriza¸c˜ao de uma Microgrid
e os dejetos de animais (animal). O processo de queima permite que se gere vapor e esse ´e usado para mover uma m´aquina que gerar´a energia el´etrica. A digest˜ao anaer´obica, por exemplo, envolve a decomposi¸c˜ao de dejetos animais gerando outros materiais efluentes e biog´as. Micro-organismos realizam o processo de decomposi¸c˜ao em um digestor anaer´obico. O biog´as gerado pode, atrav´es de uma m´aquina, gerar eletricidade, ser usado no lugar de g´as natural ou ser queimado.
C´elula combust´ıvel: Uma c´elula de combust´ıvel ´e uma c´elula eletroqu´ımica que con- verte continuamente a energia qu´ımica de um combust´ıvel e de um oxidante em energia el´etrica, atrav´es de um processo que envolve essencialmente um sistema eletrodo/eletr´olito [11]. Todas as c´elulas de combust´ıvel s˜ao constitu´ıdas por dois eletrodos, um positivo e outro negativo, designados por, c´atodo e ˆanodo, respec- tivamente. Igualmente, todas as c´elulas tˆem um eletr´olito, que tem a fun¸c˜ao de transportar os ions produzidos no ˆanodo, ou no c´atodo, para o eletrodo contr´ario, e um catalisador, que acelera as rea¸c˜oes eletroqu´ımicas nos eletrodos [12].
C´elula fotovoltaica - PV: produz tens˜ao de corrente cont´ınua (c.c.) nos terminais a partir da incidˆencia de luz solar sobre as placas. A quantidade de tens˜ao e corrente que uma c´elula PV produz depende da intensidade da luz solar e do projeto das c´elulas. O sistema PV usa matrizes de c´elulas, que podem ser fixas ou rastrearem o Sol para captura adicional de energia.
Turbina e´olica: a gera¸c˜ao e´olica est´a dispon´ıvel comercialmente j´a h´a muitos anos. O elemento principal impulsionador s˜ao as turbinas e´olicas. Estas m´aquinas s˜ao ge- radores movidos por um rotor com grandes p´as [13]. Existem v´arios conjuntos moto-geradores, entre elas: geradores s´ıncronos, geradores ass´ıncronos, geradores de comutador de corrente alternada. Cada uma deles apresenta vantagens e desvan- tagens que devem ser analisadas com cuidado na sua incorpora¸c˜ao ao sistema de convers˜ao de energia e´olica [14].
2.2.2
Dispositivos de convers˜ao
Os dispositivos de convers˜ao est˜ao diretamente associados a fonte de energia prim´aria. A turbina e´olica ´e o dispositivo constitu´ıdo por um sistema de p´as com um gerador asso-
2.2. Os elementos de uma microgrid 15
ciado. Para o caso da biomassa, a microturbina ´e o elemento necess´ario para converter o g´as ou vapor gerado pela biomassa em energia el´etrica. As microturbinas s˜ao compostas por um gerador e uma pequena turbina a g´as montados em um ´unico bastidor. Essas uni- dades operam normalmente na faixa de 30 at´e 100kW . A eficiˆencia t´ıpica de uma turbina varia entre 20% e 30%. A opera¸c˜ao atrav´es do funcionamento combinando aquecimento e potˆencia el´etrica Combined Heat and Power (CHP) pode aumentar a eficiˆencia para 70% a 80% [13].
2.2.3
Conversores de potˆencia
Os conversores de potˆencia s˜ao necess´arios para duas fun¸c˜oes principais. A primeira para adequar a energia el´etrica gerada, a partir da fonte prim´aria, ao sistema el´etrico a ser interligado e tamb´em de forma a adequ´a-la para a alimenta¸c˜ao das cargas. A segunda para propiciar o armazenamento de energia, quando a oferta de energia for maior que a demanda, ou por quest˜oes econˆomicas estrat´egicas.
Os conversores de potˆencia que podem ser empregados para conectar uma MG, com fontes diversas de energia a rede el´etrica s˜ao mostrados no diagrama da Figura 2.2.
Fontes Renováveis CA Unidade de Armazenamento Carga Local Conversor CA/CC PCC Fontes Renováveis CC Rede CST UVR Filtro Ativo
Figura 2.2 – Estrutura geral de uma microgrid com os relacionados sistemas de convers˜ao. Figura adaptada de [15].
V´arios conversores de potˆencia s˜ao necess´arios para garantir o adequado funcionamento da MG h´ıbrida (com fontes diversas de energia). Os objetivos dos controles mostrados na Figura 2.2 para cada conversor podem ser separados em duas condi¸c˜oes de opera¸c˜ao, quando a unidade est´a conectada a rede e quando est´a ilhada. Assim, o inversor de tens˜ao conecta a barramento c.c. ao barramento c.a. e ´e respons´avel pela inje¸c˜ao de potˆencia
16 Cap´ıtulo 2. Defini¸c˜ao e caracteriza¸c˜ao de uma Microgrid
ativa (PL) para a carga, quando conectado. ´E respons´avel pela inje¸c˜ao de potˆencia ativa e reativa (SL), quando ilhado. Fornece energia a carga quando a fonte prim´aria estiver dispon´ıvel ou recarrega a unidade de armazenamento de energia, quando a energia gerada estiver sobrando. O filtro ativo shunt de potˆencia pode ser usado para compensar a potˆencia reativa (QL) para a carga. O inversor conectado a rede ´e respons´avel pela inje¸c˜ao de potˆencia ativa (PR) para a rede. O restaurador dinˆamico de tens˜ao ´e requerido para compensar as quedas tempor´arias de tens˜ao (sag) ou eleva¸c˜ao tempor´aria de tens˜ao (swell ) quando estes estiverem conectado a rede [15].
2.2.4
Unidade de armazenamento de energia
O armazenamento de energia em uma microgrid ´e importante para a sua viabilidade por duas raz˜oes b´asicas: porque a fonte de energia pode n˜ao ser capaz de responder `as varia¸c˜oes exigidas pela carga e tamb´em porque o custo da energia ´e maior durante os per´ıodos de picos de carga. O sistema de armazenamento de energia deve ser projetado para chaveamento em subciclos dos tempos envolvidos, de forma a permitir o atracamento nas mudan¸cas r´apidas de carga ou imediatamente prover o armazenamento de energia se esta estiver sendo perdida. Dentre os elementos principais de armazenamento de energia est˜ao as baterias, os supercapacitores, as bobinas supercondutoras e os volantes de in´ercia (flywheel ) [13].
2.2.5
Carga
A carga ´e um elemento que poder´a definir a estrutura de opera¸c˜ao, o m´etodo de con- trole e a capacidade de aproveitamento da energia dispon´ıvel. V´arias s˜ao as classifica¸c˜oes poss´ıveis de serem consideradas na avalia¸c˜ao das cargas.
As cargas em uma MG podem ser agrupadas segundo a sua localiza¸c˜ao na rede, sendo cargas locais ou distribu´ıdas. Com rela¸c˜ao ao seu n´ıvel de importˆancia e/ou prioridade s˜ao divididas em cargas cr´ıticas e n˜ao-cr´ıticas. H´a tamb´em uma classifica¸c˜ao com rela¸c˜ao ao tipo de energia utilizada podendo ser cargas frias ou cargas quentes. As cargas frias s˜ao aquelas que utilizam como energia a energia el´etrica, j´a as cargas quentes s˜ao aquelas que aproveitam a energia t´ermica de algum processo de gera¸c˜ao de energia para aquecimento de ambientes, por exemplo. Para o ´ultimo caso, geralmente, s˜ao utilizados os sistemas